Газотурбинные установки

1. Газотурбинные установки с изобарным подводом тепла.

Принципиальная схема газотурбинной установки показана на рис.22.

Р ис. 22. Принципиальная схема газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении.

Компрессор 1, турбина 8, топливный насос 2 и электрогенератор 7 имеют общий вал. Компрессор 1 сжимает атмосферный воздух до требуемого давления и направляет его в камеру сгорания 3. Топливо в камеру сгорания подается топливным насосом 2. Сгорание топлива происходит в камере сгорания при постоянном давлении. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате 4 и частично на лопатках 5 газовой турбины, производят там работу и через выпускной патрубок 6 поступают в атмосферу.

Термодинамический цикл газотурбинной установки (рис. 23) состоит:

Р ис.23. Термодинамический цикл газотурбинной установки при подводе тепла при постоянном давлении:

а - на PV-диаграмме, б – на TS-диаграмме.

1-2 – адиабатное сжатие. Компрессор 1 сжимает воздух и подаёт его в камеру сгорания. При сжатии возрастет температура воздуха и его давление. Степень сжатия воздуха выбирается таким образом, чтобы температура подаваемого в камеру сгорания воздуха была выше температуры воспламенения используемого топлива.

2-3 – изобарное расширение. Подвод тепла осуществляется за счёт сгорания топлива, подаваемого в камеру сгорания. Сгорание топлива происходит при постоянном давлении, т.к. камера сгорания соединена с сопловым аппаратом и расширяющиеся газы выводятся из зоны горения.

3-4 – адиабатное расширение. Попадающий из камеры сгорания в сопловой аппарат газ адиабатно расширяется, ускоряется и подаётся на лопасти турбины, вращая её. В турбине газ продолжает расширяться, давление падает до атмосферного.

4-1 - процесс выброса продуктов сгорания в атмосферу. На диаграмме т.1 и т. 4 соединены отрезком. Условно считается, что на этом участке часть тепла передаётся холодильнику.

Основными параметрами цикла являются:

-  = P₂/P₁ – степень повышения давления при адиабатическом сжатии;

-  = v₃/v₂ – степень предварительного расширения.

Термический к.п.д. определяется как

Из выражения к.п.д видно, что он определяется только степенью повышения давления и показателем адиабаты.

Газотурбинные установки с изохорным подводом тепла

Р ис. 24. Принципиальная схема газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном объёме.

Принципиальная схема газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном объеме показана на рис.24. Газовая турбина 1, компрессор 2 и электрогенератор 12 имеют общий вал.

Компрессор 2 подает сжатый воздух через рессивер и управляющий клапан 4 в камеру сгорания 8. Топливо подается в камеру сгорания насосом 3 через форсунку (клапан) 5. Электрическая свеча 6 используется для воспламенения топлива. Для осуществления, сгорания при v = const в камере сгорания устанавливаются три клапана: топливный 5 , воздушный 4 и сопловой 7. При сгорании топлива клапаны 4, 5 и 7 закрыты, то есть сгорание происходит при постоянном объеме. После сгорания топлива давление повышается, клапан 7 открывается и продукты сгорания направляются в сопловой канал 9 и на лопатки турбины 10, где расширяются до конечного давления и через выпускной патрубок 11 выбрасываются в окружающую среду.

Рис. 25. Термодинамический цикл газотурбинной установки при подводе тепла при постоянном объёме:

а - на PV-диаграмме

б – на TS-диаграмме.

Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при V = const (Рис.25) состоит из процессов:

1-2 - адиабатное сжатие. Воздух в компрессоре сжимается и подаётся в камеру сгорания. Повышается давление и температура воздуха. Степень сжатия выбирается таким образом, чтобы температура сжатого воздуха была меньше температуры воспламенения топлива.

2-3 – изохорный подвод тепла. От свечи воспламеняется топливно-воздушная смесь и происходит сгорание топлива в камере сгорания. Резко повышается температура и давление.

3-4 – адиабатное расширение. После сжигания топлива в камере сгорания открывается сопловой клапан и газ через сопловой канал (где он разгоняется до больших скоростей) попадает на лопатки турбины, вращая её. Газ расширяется до тех пор, пока его давление не станет равным атмосферному давлению.

4-1 - процесс выброса продуктов сгорания в атмосферу. На диаграмме т.1 и т.4 соединены отрезком. Условно считается, что на этом участке часть тепла передаётся холодильнику.

Основными параметрами цикла являются

-  = p₃/p₂ – степень изохорного давления;

-  = p₂/p₁ – степень повышения давления при адиабатическом сжатии.

Термический к.п.д. определяется как

Т.о. к.п.д. цикла зависит от степени повышения давления в компрессоре, степени повышения давления при сжигании топлива и от показателя адиабаты.